(57)【要約】【課題】ＭＥＡ１を、その厚さ方向両側にＧＤＬを介して配置したセパレータ６，７に一体に設けられたガスケット８，９で挟み込む密封構造において、ＭＥＡ１の変形やＧＤＬのずれを有効に防止する。【解決手段】ＭＥＡ１の厚さ方向両側に第一ＧＤＬ２，３、第二ＧＤＬ４，５及びセパレータ６，７が順に積層され、第一ＧＤＬ２，３及び第二ＧＤＬ４，５の外側で、ＭＥＡ１の端部１ａを、その厚さ方向両側に位置するセパレータ６，７にそれぞれ一体的に設けたゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるガスケット８，９で挟み込む密封構造において、第一ＧＤＬ２，３の端部２ａ，３ａが、第二ＧＤＬ４，５の外周から張り出す大きさに形成され、ガスケット８，９に、第一ＧＤＬ２，３の端部２ａ，３ａを位置決め可能であると共に第二ＧＤＬ４，５による支持高さと同一高さｈに支持可能な支持段部８ａ，９ａが形成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＡの厚さ方向両側に第一ＧＤＬ、第二ＧＤＬ及びセパレータが順に積層され、前記第一ＧＤＬ及び第二ＧＤＬの外側で、前記ＭＥＡ又はこのＭＥＡと一体の補強フレームを、その厚さ方向両側に位置するセパレータにそれぞれ一体的に設けたゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるガスケットで挟み込む密封構造において、前記第一ＧＤＬの端部が、前記第二ＧＤＬの外周から張り出す大きさに形成され、前記ガスケットに、前記第一ＧＤＬの端部を位置決め可能であると共に前記第二ＧＤＬによる支持高さと略同一の高さに支持可能な支持段部が形成されたことを特徴とする燃料電池の密封構造。
【請求項２】
ＭＥＡ又は補強フレームの厚さ方向両側のガスケットのうち、少なくとも一方のガスケットが、セパレータに接合された平坦な基部と、この基部から立ち上がるシール突条とを有し、支持段部が、前記基部と前記シール突条の裾部によって形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の密封構造。
【請求項３】
ＭＥＡ又は補強フレームの厚さ方向両側のガスケットのうち、少なくとも一方のガスケットが、平坦なシール面を有するものであって、支持段部が、前記シール面より第一ＧＤＬの厚さ分だけ深い段差状に形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の密封構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池において、ＭＥＡを、その両側にＧＤＬを介して配置したセパレータに一体に設けられたガスケットで挟み込む密封構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応膜の両面に一対の電極層を設けたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極複合体）及びその厚さ方向両側に積層された多孔質の第一及び第二ＧＤＬ（Gas Diffusion Layer：ガス拡散層）と、カーボンあるいは金属からなるセパレータとを交互に配置して積層し、燃料ガス又は酸化ガスを、前記第一及び第二ＧＤＬを介してＭＥＡへ流通させるものが知られている。すなわち燃料電池は、水の電気分解の逆反応である電気化学反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって、電力を発生するものである。
【０００３】
この種の燃料電池においては、燃料ガスや酸化ガス、その反応によって生成した水や余剰の酸化ガス、冷媒などをシールする必要があり、そのためのガスケットが設けられている。ガスケットは、ゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるものであって、セパレータの表面に一体に設けられ、ＭＥＡの表面に密接されるものが知られている。
【０００４】
図７は、従来の技術による燃料電池の密封構造を分離状態で示す部分断面図、図８は、積層状態で示す部分断面図である。
【０００５】
図７に示される燃料電池は、反応膜（イオン交換膜）の両面に一対の電極層を設けたＭＥＡ１０１の厚さ方向両側に第一ＧＤＬ１０２，１０３、第二ＧＤＬ１０４，１０５及びセパレータ１０６，１０７が順に積層され、第一ＧＤＬ１０２，１０３及び第二ＧＤＬ１０４，１０５の外側で、ＭＥＡ１０１又はこのＭＥＡ１０１と一体の補強フレームを、その厚さ方向両側に位置するセパレータ１０６，１０７にそれぞれ一体的に設けたゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるガスケット１０８，１０９で挟み込んでいる（例えば下記の特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００８−３４３８３号公報
【０００６】
しかしながら、上述した従来の密封構造において、図８に示される積層状態では、ガスケット１０８，１０９におけるシール突条１０８ａ，１０９ａと第一ＧＤＬ１０２，１０３及び第二ＧＤＬ１０４，１０５との間に空間Ｓが形成されるため、この空間ＳにおいてＭＥＡ１０１の変形を生じるおそれがあり、最悪の場合はＭＥＡ１０１の破損も懸念される。しかも、空間Ｓの存在によって、第一ＧＤＬ１０２，１０３のずれも発生しやすかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、ＭＥＡを、その両側にＧＤＬを介して配置したセパレータに一体に設けられたガスケットで挟み込む密封構造において、ＭＥＡの変形や第一ＧＤＬのずれを有効に防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る燃料電池の密封構造は、ＭＥＡの厚さ方向両側に第一ＧＤＬ、第二ＧＤＬ及びセパレータが順に積層され、前記第一ＧＤＬ及び第二ＧＤＬの外側で、前記ＭＥＡ又はこのＭＥＡと一体の補強フレームを、その厚さ方向両側に位置するセパレータにそれぞれ一体的に設けたゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるガスケットで挟み込む密封構造において、前記第一ＧＤＬの端部が、前記第二ＧＤＬの外周から張り出す大きさに形成され、前記ガスケットに、前記第一ＧＤＬの端部を位置決め可能であると共に前記第二ＧＤＬによる支持高さと略同一の高さに支持可能な支持段部が形成されたものである。
【０００９】
また、請求項２の発明に係る燃料電池の密封構造は、請求項１に記載の構成において、ＭＥＡ又は補強フレームの厚さ方向両側のガスケットのうち、少なくとも一方のガスケットが、セパレータに接合された平坦な基部と、この基部から立ち上がるシール突条とを有し、支持段部が、前記基部と前記シール突条の裾部によって形成されたものである。
【００１０】
請求項３の発明に係る燃料電池の密封構造は、請求項１に記載の構成において、ＭＥＡ又は補強フレームの厚さ方向両側のガスケットのうち、少なくとも一方のガスケットが、平坦なシール面を有するものであって、支持段部が、前記シール面より第一ＧＤＬの厚さ分だけ深い段差状に形成されたものである。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１〜３の発明に係る燃料電池の密封構造によれば、第二ＧＤＬの端部から張り出した第一ＧＤＬの端部が、ガスケットに形成された支持段部によって位置決めされると共に、この支持段部上に第二ＧＤＬと同一高さに支持されるので、ガスケットと第一ＧＤＬ及び第二ＧＤＬとの間に、ＭＥＡの変形を生じるような空間が形成されることがなく、第一ＧＤＬの位置ずれを生じることもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る燃料電池の密封構造の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。まず図１は、本発明に係る燃料電池の密封構造の第一の形態を分離状態で示す部分断面図、図２は、積層状態で示す部分断面図である。
【００１３】
図１において、参照符号１は、反応膜の両面に一対の電極層（不図示）を設けた構造を有するＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極複合体）、参照符号２，３は、このＭＥＡ１の厚さ方向両側に積層される金属多孔体又はカーボン多孔体からなる第一ＧＤＬ、参照符号４，５は、ＭＥＡ１から見て第一ＧＤＬ２，３の外側に積層される金属多孔体又はカーボン多孔体からなる第二ＧＤＬ、参照符号６，７は、ＭＥＡ１から見て第二ＧＤＬ４，５のさらに外側に積層される金属又はカーボンからなるセパレータである。なお、第一ＧＤＬ２，３は互いに同形同大であり、第二ＧＤＬ４，５は互いに同形同大であり、セパレータ６，７は互いに同形同大である。
【００１４】
参照符号８，９は、ゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料、好ましくはエチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、パーフルオロゴム（ＦＦＫＭ）などから選択された弾性材料からなるガスケットで、それぞれセパレータ６，７に一体的に接着されている。このガスケット８，９は互いに同形同大であって、セパレータ６，７に接合され、高さｈが第二ＧＤＬ４，５の厚さｔ2と略同一の平坦な基部８１，９１と、この基部８１，９１の幅方向中間位置から、第一ＧＤＬ２，３の厚さｔ1より高く隆起した断面山形のシール突条８２，９２とを有する。
【００１５】
第一ＧＤＬ２，３は、第二ＧＤＬ４，５の外周から張り出す大きさに形成されており、ＭＥＡ１は、第一ＧＤＬ２，３の外周から張り出す大きさに形成されている。
【００１６】
第一ＧＤＬ２，３の外周から張り出したＭＥＡ１の端部１ａは、図２に示されるように、図における下側のセパレータ６に一体的に設けられたガスケット８のシール突条８２と、図における上側のセパレータ７に一体的に設けられたガスケット９のシール突条９２との間に挟み込まれており、これによって、ＭＥＡ１に供給される燃料ガス（水素）及び酸化ガスや、その電気化学反応により生成されて排出される水や余剰ガス、冷媒などが外部へ漏洩するのを防止している。
【００１７】
ガスケット８，９には、内周側を向いた基部８１，９１の上面と、シール突条８２，９２の裾部によって、支持段部８ａ，９ａが形成されている。シール突条８２，９２における内周側の裾部は、第一ＧＤＬ２，３の外周形状と略対応する平面形状をなして延びており、先に説明したように、基部８１，９１の高さｈは第二ＧＤＬ４，５の厚さｔ2と略同一であるから、支持段部８ａ，９ａは、第二ＧＤＬ４，５の外周から張り出した第一ＧＤＬ２，３の端部２ａ，３ａを位置決め可能であると共に第二ＧＤＬ４，５による第一ＧＤＬ２，３の支持高さと同一高さｈに支持可能となっている。
【００１８】
また、ガスケット８，９における基部８１，９１の内周縁は、第二ＧＤＬ４，５の外周形状と対応する平面形状をなして延びており、第二ＧＤＬ４，５が前記基部８１，９１の内周に遊嵌されることによって位置決めされるようになっている。
【００１９】
上記構成の部品群を一つの単位（燃料電池セル）として、これを多数積層し、不図示のボルト・ナットで締め付けて組み立てた状態では、図２に示されるように、ガスケット８，９のシール突条８２，９２が適当に圧縮された状態で、ＭＥＡ１の端部１ａの両面に密接される。また、第二ＧＤＬ４，５は、ガスケット８，９の基部８１，９１の内周に位置決めされ、第二ＧＤＬ４，５に積層された第一ＧＤＬ２，３は、第二ＧＤＬ４，５から張り出した端部２ａ，３ａがガスケット８，９の支持段部８ａ，９ａによって位置決めされると共に、第二ＧＤＬ４，５による第一ＧＤＬ２，３の支持高さと略同一の高さに支持される。このため、第一ＧＤＬ２，３及び第二ＧＤＬ４，５のずれが有効に防止される。
【００２０】
特に、ガスケット８，９のシール突条８２，９２は、圧縮に伴う横方向への膨張変形によって、その裾部（支持段部８ａ，９ａ）が第一ＧＤＬ２，３の端部２ａ，３ａにほぼ密接嵌合状態になるので、ガスケット８，９のシール突条８２，９２と第一ＧＤＬ２，３及び第二ＧＤＬ４，５との間に、ＭＥＡ１の変形を許容するような空間が形成されることはなく、しかもガスケット８，９の支持段部８ａ，９ａに嵌合された第一ＧＤＬ２，３の端部２ａ，３ａによって、シール突条８２，９２の内周側でＭＥＡ１が厚さ方向両側からしっかり押さえられる。このため、ＭＥＡ１の変形や破損が有効に防止される。
【００２１】
次に、図３は、本発明に係る燃料電池の密封構造の第二の形態を分離状態で示す部分断面図、図４は、積層状態で示す部分断面図である。
【００２２】
この第二の形態において、上述した第一の形態と異なるところは、図における上側のセパレータ７に一体的に設けられたガスケット９が、平坦なシール面９３を有するフラットシール形状をなすものであって、支持段部９ａが、前記シール面９３から段差状に陥没した形状に形成されたことにある。その他の部分の構成は、図１及び図２に示される第一の形態と同様である。
【００２３】
詳しくは、ガスケット９は、第一ＧＤＬ３の厚さｔ1と第二ＧＤＬ５の厚さｔ2との和に相当する高さに形成されていて、ＭＥＡ１の端部１ａと密接される平坦なシール面９３は、ガスケット８のシール突条８２の密接幅（ＭＥＡ１に対する密接幅）よりも幅が広く、支持段部９ａは、シール面９３の内周側に第一ＧＤＬ３の外周形状と略対応する平面形状をなして延びており、その底面の高さｈは第二ＧＤＬ５の厚さｔ2と略同一であり、シール面９３より第一ＧＤＬ３の厚さｔ1に相当する深さｄで形成されている。このため、支持段部９ａは、第二ＧＤＬ５の外周から張り出した第一ＧＤＬ３の端部３ａを嵌合により位置決め可能であると共に、第二ＧＤＬ５による第一ＧＤＬ３の支持高さと略同一の高さｈに支持可能となっている。
【００２４】
このように構成された第二の形態において、図３及び図４に示される部品群を一つの単位（燃料電池セル）として、これを多数積層し、不図示のボルト・ナットで締め付けて組み立てた状態では、ガスケット８のシール突条８２とガスケット９の平坦なシール面９３が、ＭＥＡ１の端部１ａの両面に密接される。ここで、先に説明した図１及び図２のように、ガスケット８，９がシール突条８２，９２でＭＥＡ１の端部１ａを挟み込むものである場合、例え僅かでも組み付け精度によるずれ（オフセット）があると、シール突条８２，９２による面圧極大部のずれによって、ＭＥＡ１の端部１ａが曲げモーメントを受けて変形するおそれがあるが、第二の形態によれば、一方のガスケット９のシール面９３が平坦であるため、ＭＥＡ１の両側のガスケット８，９に互いに僅かなずれがあっても、ＭＥＡ１の端部１ａには、上述のような曲げモーメントは生じない。
【００２５】
そして、この形態でも、第二ＧＤＬ４，５は、ガスケット８，９の内周に位置決めされ、第二ＧＤＬ４，５の上に積層された第一ＧＤＬ２，３は、第二ＧＤＬ４，５から張り出した端部２ａ，３ａがガスケット８，９の支持段部８ａ，９ａによって位置決めされると共に、第二ＧＤＬ４，５による第一ＧＤＬ２，３の支持高さと略同一の高さに支持される。このため、第一ＧＤＬ２，３及び第二ＧＤＬ４，５のずれが有効に防止される。
【００２６】
また、ガスケット８，９の支持段部８ａ，９ａが第一ＧＤＬ２，３の端部２ａ，３ａにほぼ密接嵌合状態になるので、ガスケット８，９と第一ＧＤＬ２，３及び第二ＧＤＬ４，５との間に、ＭＥＡ１の変形を許容するような空間が形成されることはなく、しかもガスケット８，９の支持段部８ａ，９ａに嵌合された第一ＧＤＬ２，３の端部２ａ，３ａによって、ＭＥＡ１が厚さ方向両側からしっかり押さえられる。このため、ＭＥＡ１の変形や破損が有効に防止される。
【００２７】
次に、図５は、本発明に係る燃料電池の密封構造の第三の形態を分離状態で示す部分断面図、図６は、積層状態で示す部分断面図である。
【００２８】
この第三の形態において、上述した第一の形態と異なるところは、一方のガスケット８が、外周側に第一ＧＤＬ２の厚さｔ1と第二ＧＤＬ４の厚さｔ2との和に相当する高さに形成された平坦なシール面８３と、その内周側の位置から、第一ＧＤＬ２の厚さｔ1より高く隆起した断面山形のシール突条８２と、さらにその内周側にあって、シール面８３と同等の高さに形成された平坦な押さえ面８４を有し、他方のガスケット９が、内周側に第一ＧＤＬ３の厚さｔ1と第二ＧＤＬ５の厚さｔ2との和に相当する高さであってガスケット８のシール突条８２及び押さえ面８４と対向する平坦なシール面９３と、その外周側の位置から、第一ＧＤＬ３の厚さｔ1より高く隆起した断面山形のシール突条９２と、さらにその外周側にあってガスケット８のシール面８３の外周部と対向し、シール面９３と同等の高さに形成された平坦な押さえ面９４を有することにある。なお、ＭＥＡ１、第一ＧＤＬ２，３、第二ＧＤＬ４，５及びセパレータ６，７などは、図１及び図２に示される第一の形態と同様である。
【００２９】
ガスケット８のシール面８３は、これと対向するガスケット９のシール突条９２の密接幅（ＭＥＡ１に対する密接幅）よりも幅が広く、支持段部８ａは、押さえ面８４の内周側から段差状に陥没した形状に形成されていて、第一ＧＤＬ２の外周形状と略対応する平面形状をなして延びており、その底面の高さｈは第二ＧＤＬ４の厚さｔ2と略同一であり、押さえ面８４（シール面８３）より第一ＧＤＬ２の厚さｔ1に相当する深さｄで形成されている。このため、支持段部８ａは、第二ＧＤＬ４の外周から張り出した第一ＧＤＬ２の端部２ａを嵌合により位置決め可能であると共に第二ＧＤＬ４による第一ＧＤＬ２の支持高さと略同一の高さｈに支持可能となっている。
【００３０】
同様に、ガスケット９のシール面９３は、これと対向するガスケット８のシール突条８２の密接幅（ＭＥＡ１に対する密接幅）よりも幅が広く、支持段部９ａは、シール面９３の内周側から段差状に陥没した形状に形成されていて、第一ＧＤＬ３の外周形状と略対応する平面形状をなして延びており、その底面の高さｈは第二ＧＤＬ５の厚さｔ2と略同一であり、シール面９３より第一ＧＤＬ３の厚さｔ1に相当する深さｄで形成されている。このため、支持段部９ａは、第二ＧＤＬ５の外周から張り出した第一ＧＤＬ３の端部３ａを嵌合により位置決め可能であると共に第二ＧＤＬ５による第一ＧＤＬ３の支持高さと略同一の高さｈに支持可能となっている。
【００３１】
なお、参照符号８ｂ，９ｂは、それぞれシール突条８２，９２の圧縮に伴う横方向への膨張変形を許容するためにシール突条８２，９２の裾部に形成された逃げ溝である。
【００３２】
このように構成された第三の形態において、図５及び図６に示される部品群を一つの単位（燃料電池セル）として、これを多数積層し、不図示のボルト・ナットで締め付けて組み立てた状態では、互いに対向するガスケット８のシール突条８２とガスケット９の平坦なシール面９３、及びその外周側で互いに対向するガスケット９のシール突条９２とガスケット８の平坦なシール面８３が、ＭＥＡ１の端部１ａの両面に密接される。このため、組み付け精度による僅かなずれ（オフセット）があっても、ＭＥＡ１の端部１ａが曲げモーメントを受けて変形するおそれはなく、しかも複数段の密接シール部が形成されるので、優れた密封性を発揮する。
【００３３】
またこの形態でも、第二ＧＤＬ４，５は、ガスケット８，９の内周に位置決めされ、第二ＧＤＬ４，５の上に積層された第一ＧＤＬ２，３は、第二ＧＤＬ４，５から張り出した端部２ａ，３ａがガスケット８，９の支持段部８ａ，９ａによって位置決めされると共に、第二ＧＤＬ４，５による第一ＧＤＬ２，３の支持高さと略同一の高さに支持される。このため、第一ＧＤＬ２，３及び第二ＧＤＬ４，５のずれが有効に防止される。
【００３４】
また、ガスケット８，９の支持段部８ａ，９ａが第一ＧＤＬ２，３の端部２ａ，３ａにほぼ密接嵌合状態になるので、ガスケット８，９と第一ＧＤＬ２，３及び第二ＧＤＬ４，５との間に、ＭＥＡ１の変形を許容するような空間が形成されることはなく、しかもガスケット８，９の支持段部８ａ，９ａに嵌合された第一ＧＤＬ２，３の端部２ａ，３ａによって、ＭＥＡ１が厚さ方向両側からしっかり押さえられる。このため、ＭＥＡ１の変形や破損が有効に防止される。
【００３５】
さらには、ガスケット８の内周側の押さえ面８４とガスケット９の平坦なシール面９３及びガスケット９の外周側の押さえ面９４とガスケット８の平坦なシール面８３も、ＭＥＡ１の端部１ａの両面に密接されるため、ガスケット８，９による厚さ方向の剛性が高まり、セパレータ６，７間の積層間隔を高精度に規定することができる。
【００３６】
なお、上述の各形態においては、ガスケット８，９がＭＥＡ１の両面に密接されるものについて説明したが、本発明は、ＭＥＡ１の外周部にフィルム状の補強フレームを一体に設けて、この補強フレームをガスケット８，９で挟み込むように密接させるものについても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る燃料電池の密封構造の第一の形態を分離状態で示す部分断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の密封構造の第一の形態を積層状態で示す部分断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の密封構造の第二の形態を分離状態で示す部分断面図である。
【図４】本発明に係る燃料電池の密封構造の第二の形態を積層状態で示す部分断面図である。
【図５】本発明に係る燃料電池の密封構造の第三の形態を分離状態で示す部分断面図である。
【図６】本発明に係る燃料電池の密封構造の第三の形態を積層状態で示す部分断面図である。
【図７】従来の技術による燃料電池の密封構造を分離状態で示す部分断面図である。
【図８】従来の技術による燃料電池の密封構造を積層状態で示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  ＭＥＡ
２，３  第一ＧＤＬ
４，５  第二ＧＤＬ
６，７  セパレータ
８，９  ガスケット
８ａ，９ａ  支持段部
８１，９１  基部
８２，９２  シール突条
８３，９３  シール面
８４，９４  押さえ面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010108852.tif 000008
【図７】
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【図８】
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